Выбор теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы – это материалы и изделия, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных промышленных установок, аппаратуры, трубопроводов, холодильников и транспортных средств.

Основными особенностями теплоизоляционных материалов являются:

  • высокая пористость (70-98%),
  • незначительная объемная масса,
  • прочность (предел прочности при сжатии 0,2 до 2,5 МПа),
  • малая средняя плотность,
  • низкая теплопроводность (не более 0,2 Вт/(м*К)).

 

Как выбрать подходящий теплоизоляционный материал? Прежде всего, для этого нужно понимать, как «работают» эти теплоизоляционные материалы.

Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Теплопроводность – это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т.п.). Теплоизоляционные материалы помогают замедлить движение молекул, но остановить его полностью невозможно. Доказано, что наилучший коэффициент теплопроводности имеет сухой воздух (неподвижный), т.е. медленнее всего молекулы движутся именно в сухом воздухе. При производстве строительных материалов используют именно этот принцип – удержание воздуха в порах/ячейках материала. И, следовательно, чем ниже коэффициент теплопроводности, тем лучше теплоизоляционные характеристики материала или изделия. Таким образом, можно образно сказать, что теплоизоляционные материалы, как правило, - это правильно упакованный воздух. Это можно увидеть при увеличении структуры любого утеплителя – сам материал занимает минимум места, главная его задача – это удерживать внутри себя воздух. Отдельный вид теплоизоляции - отражающая теплоизоляция – это материалы, которые способствуют сохранению тепла за счёт отражения инфракрасного излучения.

_______________________________________________________________________________________
Вообще, теплоизоляционные материалы делятся на теплоизоляторы (материалы, имеющие очень низкий коэффициент теплопроводности) и утеплители (материалы, предназначенные для удержания тепла внутри изолируемого объекта). Но на практике никто не разграничивает эти понятия, и называют  утеплить теплоизоляцией и наоборот.
_______________________________________________________________________________________

При выборе утеплителя, важно разобраться в его основных характеристиках, влияющих на эксплуатационные свойства:
Одна из главных характеристик – это коэффициент теплопроводности λ - характеризует теплопроводность материала и равен количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1 м и площадью 1 кв.м за час при разности температур на двух противоположных поверхностях в 10 оC.

По теплопроводности теплоизоляционные материалы и изделия подразделяются на классы:
А - низкой теплопроводности (<0,06 Вт/мК),
Б - средней теплопроводности (0,06-0,115Вт/мК),
В - повышенной теплопроводности (0,1-0,175Вт/мК).

Теплопроводность зависит от влажности материала (т.к. вода проводит тепло в 25 раз лучше, чем воздух, то есть мокрый материал не будет выполнять свою главную функцию – теплоизолирующую функцию) и его температуры, химического состава материала, структуры, пористости. Рассмотрим подробнее данные характеристики:

1) Пористость – это доля объема пор в общем объеме материала. Для теплоизоляции пористость начинается от 50 % и до 90...98 % (например, у ячеистых пластмасс). Она определяет основные свойства теплоизоляции: плотность, теплопроводность, прочность, газопроницаемость и др. Важно равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор. Поры бывают открытые, закрытые, крупные, мелкие. По способу порообразования теплоизоляционные материалы делят на следующие виды:

  • материалы с волокнистым каркасом – ваты, войлоки, древесно-волокнистые, древесностружечные, фибролит, торфоизоляционные, камышит, соломит и пр.;
  • вспученные материалы – материалы, получаемые при низкотемпературном  и высокотемпературном вспучивании – при нагревании до высоких температур  горных и шлаковых пород (перлит, обсидиан, вермикулит, некоторые разновидности глин), за счет выделения газов и отделения химически связанной или цеолитной воды: вспученный перлит, вермикулит, керамзит, шлаковая пемза и пр.;
  • вспененные материалы – образованные способом пеноообразования (газо- и воздухововлечения) при введении в воду затворения вяжущих пенообразующих веществ, стабилизированных при высыхании: пенобетон, пеносиликат, пенокерамика и т.д; или образованные способом газообразования за счет химических реакций с образованием большого количества газа, при отвердевании пластической массы с образованием пор: газобетон, газосиликат, газокерамика, пеностекло, пенополиуретан, пенопласт, пенополиэтилен  и др. газозаполненные пластмассы и резины и т.д.
  • материалы с пористым заполнителем – керамзитобетон, полистиролбетон, вермикулитовые, пробковые и т.д.
  • материалы с выгорающими добавками – керамические плиты и изделия со сгорающим наполнителем в виде опилок, угля, углеотходов и зол, вспененного полистирола;
  • материалы с пространственным каркасом – сотопласты.

2) Плотность – это отношение массы материала к занимаемому ей объему, кг/м3 .

3) Паропроницаемость – это величина, равная количеству водяного пара в миллиграммах, которое проходит за 1 час через слой материала площадью 1 кв. м. и толщиной 1 м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинакова, а разность парциального давления водяного пара равняется 1 Па. Проходящий сквозь материал пар конденсируется в его толще. В результате происходит неизбежное уменьшение (во времени) термического сопротивления ограждающей конструкции в течение всего холодного времени года. При этом конструкция должна быть спроектирована таким образом, чтобы минимизировать прохождение паров влаги и, как следствие, возникновение конденсата. На практике теплоизоляционный материал должен быть защищен с теплой стороны пароизоляционным барьером. Снаружи, напротив, должны быть созданы благоприятные условия для свободного выхода пара (высыхания утеплителя).

4) Влажность – содержание влаги в материале. Очень важной характеристикой является сорбционная влажность (равновесная гигроскопическая влажность материала при различной температуре и относительной влажности воздуха). Содержание влаги в теплоизоляционных материалах при нормальных условиях эксплуатации составляет 0,5% по объему.

5) Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в порах влагу при прямом контакте с водой. Определяется количеством воды, поглощаемым материалом с нормальной влажностью, когда он находится в воде, к массе сухого материала. Насыщение материала водой ухудшает его основное свойство: резко увеличивает теплопроводность. Например, теплопроводность материала в сухом состоянии составляет 0,036 Вт/мС, а при влажности 5% - 0,043 Вт/мС. Кроме того, влажный материал теряет прочностные свойства и долговечность материала в целом. Значительно снизить водопоглощение теплоизоляции помогает гидрофобизация (т.е. в ее состав вводят специальные добавки, отталкивающие влагу: кремний-органические соединения или специальные масла).

6) Биостойкость – способность материала противостоять действию микроорганизмов, грибков и некоторых видов насекомых. Микроорганизмы живут там, где есть влага, поэтому для повышения биостойкости теплоизоляция должна быть водостойкой.

7) Огнестойкость – свойство материалов противостоять действию высоких температур; способность теплоизоляционного материала, конструкции или элемента сооружения сохранять при пожаре несущую и огнепреграждающую способность.
Показатели пожарной безопасности - горючесть (Г), воспламеняемость (В), распространение пламени на поверхности (РП), дымообразующая способность (Д) и токсичность продуктов горения (Т).

8) Прочность – предел прочности при сжатии колеблется от 0,2 до 2,5 МПа. Если прочность при сжатии выше 5 МПа, то материалы называют теплоизоляционно-конструктивными и используют для несущих ограждающих конструкций.
Предел прочности при изгибе (показатель для плит, скорлуп, сегментов) и предел прочности при растяжении (для матов, войлока и т. п.) нужны для того, чтобы определить, достаточна ли прочность для сохранности материала при транспортировке, складировании, монтаже.

9) Температуростойкость – это температура, выше которой материал изменяет свою структуру, теряет механическую прочность и разрушается, а органические материалы могут загораться.

10) Теплоёмкость – это количество теплоты, аккумулированное теплоизоляцией, кДж/(кг°С). Важная характеристика в условиях частых теплосмен.

11) Морозостойкость – способность выдерживать многоразовое изменение температур от стадии замораживания до стадии оттаивания попеременно, без видимых признаков нарушения структуры.

12) Усадка – уменьшение линейных размеров и объёма теплоизоляционных материалов вследствие потери ими влаги, уплотнения, затвердевания и др. процессов.  Ничтожно малая усадка (в том числе термическая) актуальна для сохранения своих геометрических размеров в течение всего периода эксплуатации здания. Это гарантирует отсутствие мостиков холода, которые в противном случае возникли бы на стыках изоляционных плит.

Существует несколько видов теплоизоляционных материалов.

1) Неорганические материалы и изделия

  • Волокнистые теплоизоляционные материалы
    • Минеральная вата
    • Стекловата
    • Пеностекло
  • Теплоизоляционные бетоны бывают:
  • Засыпная теплоизоляция (керамзит, перлит, вермикулит)

2) Теплоизоляционные материалы и изделия из различного растительного сырья

  • Целлюлозная вата
  • Древесноволокнистые (ДВП) и древесностружечные плиты (ДСП)
  • Пробковая теплоизоляция

3) Полимерная теплоизоляция

  • Пенопласт
  • Полистирольные пенопласты
  • Пенополиуретан
  • Экструдированный пенополистирол
  • Вспененный каучук
  • Вспененный полиэтилен

4) Отражающая теплоизоляция

 

Подробнее рассмотрим самые распространенные утеплители – волокнистые. Волокнистые утеплители получают из минерального сырья (базальтов, мергелей, доломитов и др.). Минеральная вата имеет высокие теплоизоляционные свойства из-за своей высокой пористости – воздушные пустоты занимают до 95% объема.

Минеральная вата занимает одно из первых мест среди всех видов теплоизоляции благодаря доступности сырья, несложной технологией производства и, следовательно, доступной ценой. Отметим следующие достоинства утеплителя минеральной ваты:

  • негорючесть
  • малая гигроскопичность – при попадании влаги, минеральная вата ее сразу отдает, необходимо обеспечить вентиляцию
  • шумоизоляция
  • морозостойкость
  • стабильность физических и химических характеристик во время эксплуатации
  • длительный срок эксплуатации

Недостатки: уступает по прочности (например, пеностеклу).

Особенность монтажа и использования: при попадании влаги теряет теплоизолирующие свойства, поэтому требует пароизоляционной и гидроизоляционной пленки при монтаже.

Минеральная вата делится на 3 вида: стекловолокно, каменная вата (из природных ископаемых со связующим компонентом и базальтовое тонкое и супертонкое волокно) и шлаковата. Волокно, получаемое из расплава, скрепляют в готовое изделие с помощью связующего компонента, чаще всего это фенолформальдегидная смола. Кроме того есть изделия, называемые прошивными матами – в них материал зашивается в стеклоткань и прошивается нитками.

Наиболее популярная теплоизоляция – это маты и плиты из базальтовой ваты - это неорганический волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород габбро-базальтовой группы (доломит, порфирит, диабаз) с добавлением доменных шлаков.

Основным свойством базальтовой ваты, отличающим ее от других теплоизоляционных материалов, является негорючесть в сочетании с высокой тепло- и звукоизолирующей способностью, устойчивостью к температурным деформациям, негигроскопичностью, химической и биологической стойкостью, экологичностью и легкостью выполнения монтажа. Материалы, производимые из базальтовой ваты имеют разную толщину волокон, длину и скрученность, в зависимости от  оборудования производителя, что в конечном итоге влияет на качество и характеристики производимых утеплителей.

Применение теплоизоляционных материалов в виде матов и плит может быть в частном домостроении (Скатные кровли и мансарды, Подвесные потолки, Перегородки, Полы по лагам, Каркасные стены) и в профессиональном строительстве (Скатные кровли и мансарды, Перегородки, Облицовка стен, Вентилируемые фасады, Каркасные конструкции, Полы и перекрытия, Плоские кровли, Штукатурный фасад, Сэндвич-панели, Противопожарные рассечки).

Еще один вид волокнистых теплоизоляционных материалов – это стекловата, которая производится из волокна, получаемого из того же сырья, что и стекло (кварцевый песок, известь, сода). Изделия из стеклянного волокна отличаются повышенной упругостью, что позволяет маты из стекловолокна транспортировать в сжатом виде. В развернутом виде они возвращаются практически к исходной толщине.

Основное применение стекловаты – ненагружаемая тепло-звукоизоляция и  изоляция трубопроводов с невысокой температурой изолируемой поверхности. Благодаря малой плотности и большому содержанию воздуха они отличаются малым коэффициентом теплопроводности, но при этом обладают высокой воздухопроницаемостью. В целом ее достоинства такие же, как и у минеральной ваты. Кроме того, стекловата прочнее базальтовой, лучше гасит шум. Основной недостаток – температуростойкость 450°С, которая ниже, чем у базальтовой ваты, а эта характеристика важна для технической изоляции.